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박효훈 교수, 초소형 3차원 영상 센서의 핵심기술 개발
〈 (왼쪽부터) 나노종합기술원 유종범 연구원, 김성환 박사과정, 박효훈 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 박효훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과의 공동 연구를 통해 3차원 영상 센서의 핵심 기술인 실리콘 기반 광위상배열(optical phased array, OPA) 칩을 개발했다.
김성환 박사과정과 나노종합기술원 유종범 박사가 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘옵틱스 레터스(Optics Letters)’ 1월 15일자 온라인 판에 게재됐다.
3차원 영상 센서는 사진 등의 2차원 이미지에 입체감을 주는 거리정보를 추가해 3차원 이미지로 인식하는 센서이다. 사물의 정확한 거리정보가 필요한 자율주행 자동차, 드론, 로봇, 안면인식이 사용되는 스마트폰 등 다양한 전자기기에서 눈의 역할을 하는 핵심부품이다.
다수의 자동차, 드론 회사들이 레이저 빛을 이용한 3차원 영상 센서인 라이다(light detection and ranging, LiDAR) 개발에 주력하고 있다. 그러나 이 방식은 2차원 영상 센서로 3차원 스캐닝을 하는 기계적 방식을 사용하기 때문에 주먹 정도의 큰 크기를 가지며 고장 가능성도 크다.
광위상배열(Optical Phased Array, OPA)은 전기적으로 빛의 방향을 조절할 수 있어 라이다의 차세대 구조로 주목받고 있다. 실리콘 기반의 광위상배열은 크기가 작고 내구성이 높으며 기존의 반도체 칩을 제작하는 설비를 활용해 만들 수 있어 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만 기존의 광위상배열은 빛 방향을 조절하는 방법에 문제가 있다. 수평 방향 조절은 전기-광학식 위상변조기를 이용해 넓은 범위의 스캐닝이 가능하지만, 수직 방향 조절은 레이저 빛의 파장을 바꿔줘야 하는 기술적 난제가 있다.
즉, 빛의 파장을 바꾸면 실리콘 광소자의 특성이 달라져 신뢰성 있는 방향조절이 어렵고 또한 파장을 조절할 수 있는 레이저를 실리콘 기반의 칩에 집적시키기가 어렵기 때문이다. 따라서 방사되는 빛을 수직 및 수평 방향으로 쉽게 조절할 수 있는 새로운 구조를 만드는 것이 중요하다.
연구팀은 파장 변조 광원을 사용해야 하는 기존의 광위상배열을 발전시켜 단일파장 광원으로 넓은 범위의 2차원 스캐닝이 가능한 초소형, 저전력 광위상배열 칩을 개발했다.
연구팀이 반도체 공정을 통해 광위상배열 구조로 제작한 이번 센서는 잠자리 눈 정도의 크기로 작게 제작할 수 있어 3차원 영상 센서를 소형화시킬 수 있다.
연구팀은 광위상배열이 3차원 영상 센서의 기능뿐 아니라 획득한 3차원 영상 데이터를 원하는 방향으로 무선전송하는 기능도 수행 가능해 고화질, 대용량의 영상정보를 전자기기 간 자유롭게 통신할 수 있다고 밝혔다.
김성환 박사과정은 “파장 변조를 이용한 2차원 스캐닝은 파장 변조가 가능한 광원의 집적이 매우 어려웠기 때문에 이번 연구를 통해 광위상배열의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
유종범 박사는 “3차원 영상 센서를 스마트폰에 장착해 얼굴인식 및 증강현실 서비스 등에 지원할 예정이다”라며 “공정 플랫폼을 발전시켜 3차원 반도체 영상 센서 핵심 기술의 국산화에 노력하겠다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 제작된 초소형 광위상배열 칩
그림2. 3차원 영상센서 핵심기술인 광위상배열 칩
2019.01.22
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양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발
- 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점을 형성해 고효율 단광자 광원 개발 -- 단파장 가시광선 대역에서 작동하는 초고속 반도체 양자 광원 연구 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다.
연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 "사이언티픽 리포트(Scientific Reports)" 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계가 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.
이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.
이와 함께 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.
이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.
조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성하여 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. (왼쪽) 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진. (오른쪽) 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.
그림2. (왼쪽) 오벨리스크형 나노구조와 기존 평면 박막 구조에 내재된 양자점을 비교한 개념도. (오른쪽) 오벨리스크 나노구조 끝에 형성된 단일 양자점에서 방출되는 좁은 선폭의 스펙트럼과 광원의 양자화 정도와 빠른 단광자 방출 속도를 나타내는 2차 광자 상관 관계 그래프.
2013.07.22
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레이저 이용한 초고속 나노물질 생산 공정 개발
- 레이저를 원하는 위치에 쪼여 나노물질 성장 세계 최초 성공 -- “획기적 공정 단축을 통해 나노소자 상용화에 기여할 것” -
우리 학교 기계공학과 여준엽 박사와 고승환 교수 공동연구팀은 집광된 레이저를 이용해 나노물질을 원하는 위치에 초고속으로 만드는 기술을 개발했다.
연구결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)" 7월 9일자 표지논문(frontispiece)에 실렸다.
이번에 개발된 기술을 활용하면 기존에 수 시간에 걸쳐 만들었던 나노와이어를 단 5분 만에 성장시킬 수 있어 소요시간이 약 1/10로 단축됐다. 또 이미 발표된 수많은 나노물질 합성법과는 달리 공정이 매우 단순해 나노소자 대량생산과 상용화 가능성을 제시한 것으로 학계와 산업계는 평가하고 있다.
기존에 나노물질을 합성 및 성장시키기 위해서는 900~1000°C의 높은 온도에서 폭발성 혹은 독성이 있는 위험한 기체를 사용해왔다. 이를 전자 소자나 전자기기로 응용하기 위해서는 합성 후 분리, 집적, 패터닝 등 복잡한 공정을 거쳐야하는 단점이 있었다.
따라서 다단계의 공정과 고비용, 비환경적인 특성 때문에 나노소자의 대량생산과 상용화에 커다란 걸림돌이 되고 있었다.
연구팀은 기판위에 나노물질 전구체(어떤 물질이 되기 전단계의 물질)를 올려놓은 후 집광된 녹색파장 대역의 연속파형 레이저를 조명해 원하는 위치에 나노와이어를 합성하는데 세계 최초로 성공했다.
이 기술을 이용하면 나노물질의 집적 및 패터닝은 물론 단 한 번의 공정으로 기능성 나노소자 제작이 가능하다.
이와 함께 기판의 종류에 상관없이 공정이 가능해 유연한 플라스틱 기판에도 적용 가능하다. 또 3차원 구조물 위에서도 자유롭게 원하는 위치에 단순 레이저 조명만으로도 나노 물질을 합성, 패터닝 할 수 있다.
여준엽 박사는 이번 연구에 대해 “빛에너지를 이용해 나노물질을 합성, 집적, 패턴, 소자제작을 한 번에 가능케 하는 새로운 공정을 세계 최초로 개발했다”며 “향후 기능성 전자 소자 개발에 드는 시간을 기존의 10분의 1도 채 안되는 수준으로 단축할 수 있다”고 말했다.
여 박사는 향후 다양한 나노물질의 조합을 통해 다기능 전자 소자의 개발의 상용화와 대량생산 공정을 개발할 계획이다.
여준엽 박사와 고승환 교수팀이 주도한 이번 연구는 KAIST 기계공학과 성형진 교수, 홍석준 박사과정, 강현욱 박사과정, 미국 UC Berkeley 그리고로폴로스 교수, 이대호 박사가 참여했으며, 한국연구재단 중견도약사업과 지식경제부 협동사업, 글로벌프런티어사업, KAIST EEWS 연구단의 지원을 받았다.
붙임 : 그림설명
그림1. 레이저 조명을 쪼여 원하는 위치에 합성된 나노 물질
그림2. 개발된 공정을 이용해 3차원 구조물 위에 합성된 나노 물질
그림3. 합성된 나노 물질을 통해 제작된 기능성 전자 소자
그림4. 어드밴스트 펑셔널 머티리얼스 프런티스피스 표지 사진
2013.07.17
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보다 태양빛에 가까운 LED 개발
- KAIST 배병수 교수 연구팀, 봉지재가 형광체 역할을 하는 일체형 형광 나노하이브리드 봉지재 개발 -- 어드밴스드 머터리얼스 12월호 표지논문 게재 -
실내 형광램프가 3파장, 5파장, 7파장 등 다중파장으로 진화하고 있다. 다중 파장을 가진 조명일수록 보다 자연의 색에 가깝게 사물을 볼 수 있기 때문이다.
게다가 최근들어서는 실내조명이 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등 녹색성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지닌 LED로 바뀌고 있다. 이에 따라 LED 분야에서도 태양빛에 유사한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 계속되고 있다.
우리 학교 신소재공학과 배병수 교수 연구팀이 신소재 형광염료를 이용해 보다 태양빛에 가까워지면서, 형광체 가격은 1/5수준으로 저렴한 백색 LED를 개발하는데 성공했다.
현재 상용화되고 있는 백색 LED는 황색 또는 적‧녹색 혼합 형광체를 봉지재에 분산한 후 LED칩 위에 도포하면 LED칩에서 나오는 청색광과 형광체에서 나오는 황색 또는 적‧녹색광과 혼합돼 백색 빛을 내게 된다.
형광체 물질로는 산화물 또는 산화질화물 등 무기형광체 입자들이 사용되는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 제조하기 때문에 가격도 비싸고, 또 핵심기술을 일본과 미국 등 해외 선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED산업 발전의 걸림돌이 되고 있다.
특히 무기형광체는 빛을 흡수하고 발광하는 스펙트럼이 좁아 백열등과 같이 자연색에 가까운 빛을 만드는 데는 어려움이 많았다.
이 같은 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED 조명을 만들기 위해 배병수 교수 연구팀은 새로운 형광체 물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 선택했다.
형광염료는 섬유 등에 착색제로 사용되며 가격이 저렴하고 다양한 색들을 낼 수 있는 물질이다. 더불어 빛을 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 넓어 LED 형광체로 사용하면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고, 색온도를 비롯한 다양한 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다.
그러나 염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 방출하는 LED에 적합하지 않아 형광체로 적용이 어려웠다.
배 교수 연구팀은 자체개발한 솔-젤 공정으로 제조된 고내열성 고굴절률 하이브리드소재에 형광염료를 화학적으로 결합해 염료분자가 안정하고 균일하게 분포되어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체 소재를 개발했다.
이와 함께 나노하이브리드 형광체 소재 내의 적색 및 녹색 염료의 비율과 농도를 조절해 이를 봉지재로 사용, 다양한 색온도를 갖는 백색 LED 제조에 성공했다.
개발한 염료 나노하이브리드소재 기반의 백색 LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 사용하는 3파장 램프 수준까지 높아졌다. 태양빛의 연색지수는 100, 상용화중인 백색 LED의 연색지수는 70 정도다. 또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 변화하지 않았다.
형광 나노하이브리드소재는 가격이 저렴할 뿐 아니라 별도로 형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체 역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색 LED를 제조할 수 있어 가격 및 기술 경쟁력이 매우 높은 신기술로 평가받고 있다.
배병수 교수는 “최근 세계 주요 소재업체들이 형광체 원천기술을 확보하고 있는 시점에서 원천소재를 개발해 조명 및 백라이트유닛 분야에서 성장하고 있는 국내 백색 LED산업의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다”며 “이번 연구성과를 바탕으로 형광염료의 안정성과 형광봉지재의 신뢰성을 향상시켜 염료기반 백색 LED 상용화에 주력할 계획”이라고 말했다.
한편, 이번 연구성과는 재료분야 세계적 학술지인 `어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)" 12월호(22일자) 표지논문으로 게재됐으며, 관련 특허를 국내외에 출원 중이다.
형광 나노하이브리드소재를 이용한 백색 LED의 단면 모식도
적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 화학구조 및 형광특성
나노하이브리드소재를 이용하여 제조한 염료기반 백색 LED
2011.12.26
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생명화학공학과 양승만교수 광자유체 신기술개발
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 58세, 교육과학기술부 지정 광자유체집적소자 창의연구단 단장) 교수 연구팀이 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 ‘자기조립원리’를 규명하는 연구를 수행하여, 방대한 량의 정보를 처리할 수 있는 프로토타입(prototype)의 광․바이오 기능성 광자결정(photonic crystal)구조체를 개발했다.
자연계에 존재하는 대표적인 광자결정은 오팔보석, 나비의 날개, 공작새의 깃털 등이 있다. 이들 광자결정 물질들이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질들을 이루는 구조 자체가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이다. 즉, 광자결정은 굴절률이 다른 물질들이 규칙적으로 쌓여 조립된 3차원 구조체로 특정한 영역의 파장에 해당하는 빛만 완전히 반사시킨다. 이 성질을 이용하면 반도체가 전자의 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 광자결정의 특수한 기능 때문에 나노레이저, 다중파장의 광 정보를 처리할 수 있는 슈퍼프리즘(superprism), 빛을 원하는 위치로 가이드 할 수 있는 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발 등에 필요한 소재로 주목 받아왔다. 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 지난 20여 년 동안 자연 상태에 존재하는 광자결정의 나노구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 梁 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 최근 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 일련의 연구 성과를 거뒀다.
첫 번째 연구 성과로 굴절률 조절이 가능한 미세입자 대량 생산기술을 개발했다. 지금까지 구현된 3차원 광자결정은 결정을 이루는 물질의 굴절률이 1.5-2.0 정도로 낮고, 굴절률을 다양하게 조절할 수 있는 입자를 제조할 수 없어서 광자결정의 실용성에 한계가 있었다. 최근 梁 교수 연구팀은 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제조할 수 있는 실용적 방법을 개발했다. 제조된 고 굴절률 입자는 나노레이저, 광 공명기, 마이크로렌즈, 디스플레이 등 각종 광학소자와 광촉매 등으로 활용될 수 있다. 이 연구결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스 인터넷판(6. 19)과 제 17호(2008. 9)의 표지논문으로 게재 예정이다. 특히, 이 논문은 저명 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)誌 8월호(8. 1)에 리서치 하이라이트(Research Highlights)로 선정되어 연구의 중요성과 응용성에 대하여 특별기사로 조명했다.
그림 1. 초고굴절률 타이타니아 입자의 전자 현미경 사진
두 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정구 연속생산 기술을 개발했다. 균일한 크기와 모양을 갖는 광자결정구를 빛을 매개로 반응시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 공정을 불과 수십 초 만에 연속적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 이들 광자결정구는 차세대 반사형디스플레이 색소나, 나노바코드, 생물감지소자 등으로 활용될 수 있다. 특히 주목할 것은 몇 개의 다른 색을 반사하는 야누스 광자결정구슬을 제조하였는데 이들은 전자종이와 같은 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 소자에 활용될 수 도 있다. 이러한 광자결정 표시소재는 세계굴지의 화학회사인 독일 머크(Merck)社 등에서도 개발 중이며 이번 연구 결과는 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다. 주요 연구결과는 국제적저명학술지인 미국화학회지(JACS)와 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)誌에 6편의 논문을 최근 4개월(5～8월) 동안 연속 게재하여 광자결정의 실용성을 구현하는데 크게 기여했다고 인정받았다. 특히, 이들 논문들은 해당 학술지 편집인(Editor)과 심사위원들에 의하여 가장 앞선 연구결과로서 주목해야 할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐으며, 9호(5. 5) 표지논문에 게재됐다.
그림 2. 3원광 광자결정구와 다색상 야누스 광자결정구의 현미경사진과 휘어지는 기판 위에 픽셀화된 3원광 광자결정.
세 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정 나노레이저를 개발했다. 현재까지 개발된 나노레이저는 발생하는 고열로 인하여 발진하는 레이저의 파장을 변화시키기 어려운 단점이 있었다. 梁 교수 연구팀은 KAIST 물리학과의 이용희 교수 연구팀과 공동으로 연속가변파장 나노레이저를 최초로 개발했다. 레이저를 발진하는 광자결정과 매우 미세한 유량을 도입할 수 있는 미세유체소자를 결합한 후 물과 같은 액체를 흘려줌으로써 온도를 낮추어 연속파 레이저 발진을 가능케 하였다. 또한 굴절률이 다른 액체를 흘려주어 광밴드갭을 조절함으로써 레이저의 파장을 조절 할 수 있었다. 가변파장 나노레이저는 신약개발 등 생명공학에서 요구되는 극미량의 시료로부터 방대한 량의 바이오정보를 광학적으로 신속하게 처리하는데 필요한 광원으로 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 광물리 분야의 저명학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 게재(4. 9) 됐으며 이 논문의 독창성과 실용성은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 8월호(8. 1)에 해설과 함께 “리서치 하이라이트”로 소개됐다.
그림 3. 나노레이저 발진모드
2008.08.19
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